Procesado de Señales e Imágenes Médicas

Laboratorio 002: Adquisición de imágenes, profundidad de Bit y Espacios de Color

PSIM
Autor/a

Ph.D. Pablo Eduardo Caicedo Rodríguez

Fecha de publicación

24 de febrero de 2026

Laboratorio 002: Adquisición de Imágenes — Profundidad de bit y espacios de color

Resultados de aprendizaje

Al finalizar, el estudiante será capaz de: 1. Explicar la relación entre la profundidad de bit \(b\), los niveles representables \(L=2^{b}\) y el paso de cuantización \(\Delta\) en una imagen digital. 2. Adquirir y documentar imágenes bajo condiciones controladas para analizar rango dinámico, histogramas y artefactos de cuantización (banding, posterización). 3. Convertir imágenes RGB a espacios HSV, CIE L*a*b* y Y’CrCb (formato OpenCV) e interpretar la semántica de canales e histogramas. 4. Cuantizar imágenes a distintas profundidades de bit y evaluar distorsión con \(\mathrm{MSE}\); discutir perceptualmente los cambios. 5. Justificar la elección de espacio de color según la tarea (robustez a iluminación, segmentación, compresión) con evidencia cualitativa y cuantitativa.


Conceptos clave (conciso)

  • Cuantización. Para una señal \(x\in[X_{\min},X_{\max}]\), la cuantización uniforme escalar con \(b\) bits tiene \(L=2^{b}\) niveles y paso \(\Delta=\dfrac{X_{\max}-X_{\min}}{L}\). El error de cuantización \(e=x-\hat{x}\in[-\Delta/2,\Delta/2]\) (mid-tread).
  • Rango dinámico. En \(b\) bits sin signo: \([0,\,2^{b}-1]\) (en 8 bits: \([0,255]\)).
  • Espacios de color (OpenCV).
    • BGR (lectura por defecto en OpenCV).
    • HSV: cv2.COLOR_BGR2HSV (H en [0,179] para uint8).
    • Lab: cv2.COLOR_BGR2LAB (uint8: \(L^\*\in[0,255]\), \(a^\*,b^\*\approx[0,255]\) con 128 ≈ neutro).
    • YCrCb: cv2.COLOR_BGR2YCrCb (orden de cromas: Y, Cr, Cb).
Advertencia

OpenCV trabaja en BGR (no RGB) cuando lee/escribe imágenes con cv2.imread y cv2.imwrite. Para mostrar correctamente en archivos guardados, no es necesario convertir a RGB; sin embargo, documente siempre el orden de canales.


Materiales

  • Cámara de teléfono u ordenador. Fijar ISO, tiempo de exposición y balance de blancos. Preferir PNG/TIFF (sin pérdidas); si es posible, capturar RAW+JPEG.
  • Escena estática con colores saturados y neutros (p. ej., cuadrícula de color y rampa en escala de grises en un monitor). Iluminación difusa y estable.
  • Python 3.12 con: opencv-python y numpy. No use otras librerías de imagen/visualización.

Protocolo de adquisición (documentar en el informe)

  1. Montaje de escena (iluminación constante). Fondo neutro; evitar brillos especulares.
  2. Conjunto A (referencia, 8 bits sin pérdidas). Guardar una imagen nítida y bien expuesta en PNG/TIFF.
  3. Conjunto B (bracketing de exposición). ±1 y ±2 EV respecto a la referencia para discutir recorte (clipping) vs. cuantización.
Advertencia

Mantenga fijos los parámetros de cámara entre capturas. Cambios en ISO o WB confunden los análisis de profundidad de bit y espacio de color.


Actividad 1 — Exploración inicial y chequeos

  1. Cargar la imagen de referencia. Inspeccionar forma, dtype, mínimos/máximos usando únicamente OpenCV.
  2. Estimar el uso efectivo de bits contando valores distintos por canal.
  3. Cuente cuantos pixeles hay, por cada canal y nivel del canal

Actividad 2 — Reducción de profundidad de bit y calidad (MSE)

-Explique que es el error cuadrático medio (MSE, por sus siglas en inglés) y la relación señal a rudio pico (PSNR, por sus siglas en inglés), Cuantice la imagen BGR de referencia a \(b\in\{1,2,\dots,7\}\) bits (por canal). Para cada \(b\):

  • Calcule \(\mathrm{MSE}\) y \(\mathrm{PSNR}\) respecto a la referencia (\(b=8\)).
  • Genere y guarde la imagen cuantizada y un mapa de error visual (colormap).

Actividad 3 — Transformaciones de espacio de color y semántica de canales

  1. Convertir la imagen de referencia a HSV, Lab y YCrCb (OpenCV).
  2. Cuantizar solo un canal a \(b\in\{2,4\}\) (mantener los otros en 8 bits), revertir a BGR y guardar resultados.
  3. Comparar perceptualmente artefactos entre cuantizar luminancia (Y) y crominancias (Cr/Cb), y entre canales de HSV/Lab.

Entregables

  1. Informe Latex (PDF) con:
    • Protocolo de adquisición, metadatos y fotos de la escena.
    • Resultados de Actividades 1–3 (figuras, histogramas, tablas).
    • Tabla que resuma qué espacio/canal soporta mayor cuantización con artefactos mínimos (justifique).
    • Tabla con MSE vs. \(b\) (sin PSNR).
  2. Carpeta reproducible con código e imágenes originales (preferir PNG/TIFF).

Rúbrica de evaluación para exposiciones orales (10 minutos)

Formato: 10 minutos de presentación + 2–3 minutos de preguntas. Puntuación total: 100 puntos.

Criterio Peso Excelente (A) (7puntos) Bueno (B) (5puntos) A mejorar (C) (3puntos) Insuficiente (D/E) (0puntos)
Estructura y narrativa 15 Objetivo, método y resultados se articulan con coherencia; introducción y cierre precisos en tiempo. Secuencia mayormente clara con leves transiciones débiles. Orden irregular; faltan transiciones clave. Desorganizada; propósito no se comprende.
Rigor técnico 25 Definiciones y ecuaciones (\(L=2^{b}\), \(\Delta\), \(\mathrm{MSE}\)) correctas; supuestos declarados y validados. Menores imprecisiones sin afectar conclusiones. Varias imprecisiones o supuestos no justificados. Errores conceptuales graves o confusión sostenida.
Metodología y adquisición 15 Parámetros de cámara controlados; protocolo replicable; evidencia fotográfica clara. Control adecuado con una omisión menor. Control parcial; documentación incompleta. Sin control de variables; documentación escasa.
Análisis y resultados 20 Comparaciones entre espacios (HSV/Lab/YCrCb) con figuras pertinentes; conclusiones sustentadas. Análisis correcto pero poco profundo o con pocas figuras. Análisis superficial; conclusiones poco justificadas. Sin análisis; afirmaciones sin evidencia.
Visualización 10 Figuras legibles, ejes/leyendas correctas (en imágenes generadas con OpenCV); mapas de error bien presentados. Visualización adecuada con detalles mejorables. Gráficos confusos o mal rotulados. Visualizaciones ausentes o incorrectas.
Gestión del tiempo 10 Culmina en 9–10 min; distribuye tiempo equilibradamente. Leve desviación (±1 min). Desviación moderada (±2 min). Desviación severa (>±2 min) o no concluye.
Claridad y comunicación 5 Lenguaje técnico claro, voz y ritmo adecuados, contacto visual. Generalmente claro con momentos de ambigüedad. Dificultades frecuentes de expresión. Incomprensible o lectura de diapositivas.

Recomendaciones de preparación (no evaluadas, pero sugeridas): - Ensayar con cronómetro (marcas en 3–6–9 min). - Limitar texto por diapositiva; priorizar comparativas claras (antes/después, por espacio y por \(b\)). - Anticipar dos preguntas técnicas (supuestos y limitaciones).